Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы.Синдром полиорганной недостаточности после операций на сердце в условиях искусственного кровообращения
1.1 Аспекты патогенез СПОН у кардиохирургических пациентов
1.2 Ишемическое/реперфузионное повреждение клетки
1.3 Ишемия/реперфузия и нарушение микроциркуляции легких
1.4 Нарушения микроциркуляции и дисфункция печени
1.5 Острое повреждение почек
1.6 Острое ишемическое повреждение кишечной стенки 75
Глава II. Материалы и методы исследования
2.1 Общая характеристика пациентов
2.2 Анестезиологическое обеспечение операций
2.3 Мониторинг жизненно важных функций
2.4 Цель-ориентированная терапия центральной гемодинамики
2.5 Перевод в ОРИТ и критерии органной дисфункции
2.6 Статистическая обработка данных 95
Глава III. Гиперлактатемия после операций на сердце
3.1 Метаболизм молочной кислоты и причины гиперлактатемии
3.2 Дизайн и результаты исследования
3.3 Обсуждение 112
3.4 Заключение 115
Глава IV. Тропонин Т как маркер интраоперационного повреждения миокарда
4.1 Механизмы интраоперационного повреждения
миокарда
4.2 Маркеры интраоперационного повреждения миокарда 119
4.3 Результаты исследования
4.4 Обсуждение
4.5 Заключение 135
Глава V. Микроциркуляция и баланс жидкости при операциях с искусственным кровообращением
5.1 Морфология микроциркуляции
5.2 Транскапиллярный ток жидкости
5.3 Патогенез нарушений микроциркуляции
5.3.1 Микроциркуляция при критических состояниях .
Принципы терапии
5.3.2 Микроциркуляция во время ИК
5.4 Гиповолемия у кардиохирургических больных
5.4.1 Гиповолемия во время ИК
5.5 Баланс жидкости во время операции с ИК. Тотальный гидробаланс
5.6 Методы клинической оценки микроциркуляции 162
5.7 Заключение
Глава VI. Управление тонусом микрососудов во время операций с искусственным кровообращением
6.1 Фармакологические препараты, снижающие тонус сосудов
6.2 Концепция применения газовых анестетиков во время ИК
6.3 Результаты исследования
187
6.4 Обсуждение
6.5 Заключение
Глава VII. Контроль и управление параметрами центральной гемодинамики при операциях с ИК 192
7.1 Методы измерения параметров центральной гемодинамики 192
7.2 Результаты исследования 201
7.3 Обсуждение 205
7.4 Заключение 207
Выводы 209
Практические рекомендации 211
Список цитируемой литературы
- Ишемическое/реперфузионное повреждение клетки
- Мониторинг жизненно важных функций
- Дизайн и результаты исследования
- Микроциркуляция при критических состояниях
Ишемическое/реперфузионное повреждение клетки
Ишемическое-реперфузионное повреждение (ИРП) тканей лежит в основе развития большинства критических состояний [23], соответственно, понимание базовых молекулярных механизмов клеточного повреждения, наступающего в результате гипоксии, а затем восстановления доставки кислорода, может стать теоретической основой всей реаниматологии. При этом период реперфузии представляется более разрушительным для подвергшихся гипоксии клеток.
Доставка кислорода к паренхиматозным клеткам осуществляется через систему микроциркуляции. Различные структуры микрососудов, в особенности эндотелиоциты, клетки, выстилающие внутреннюю поверхность капилляров, являются очень чувствительными к ишемии и реперфузии. Изменения, которые развиваются в микроциркуляции, становятся определяющим фактором патогенеза дисфункции соответствующего органа. Более того, изменения, происходящие в стенке микрососудов, например острая воспалительная реакция на перенесенную ишемию, могут быть настолько выраженными, что повреждающее воздействие манифестирует и в удаленных органах. Такое удаленное воздействие ишемии/реперфузии наиболее часто проявляется в легких и сердечно-сосудистой системе. Острая воспалительная реакция при этом становится генерализованной (SIRS), а множественная органная дисфункция формирует синдром полиорганной недостаточности (СПОН) [356, 206].
В последнее десятилетие произошел впечатляющий прогресс в расшифровке молекулярных процессов, происходящих в различных органеллах клетки, в первую очередь, в митохондриях, при развитии ИРП [260]. Определены десятки белков, ионных пор и каналов, нуклеиновых кислот, регуляторных молекул, но до понимания происходящих процессов еще далеко. В настоящем обзоре мы не ставим задачу рассмотреть все описанные к настоящему времени биохимические тонкости ИРП на молекулярном уровне, а ограничимся общим взглядом патогенез ишемии/реперфузии, со степенью детализации, достаточной, на наш взгляд, для решения поставленных в работе задач.
В условиях острого падения напряжения кислорода, в период ишемии, в эндотелиоцитах, как и в других клетках, падает синтез АТФ, нарушается работа мембранных ионных АТФ-аз, изменяется трансмембранный потенциал, увеличивается поступление в клетку ионов натрия и кальция, развивается отек и набухание клетки, происходит дезорганизация цитоскелета. Аденозинтрифосфат последовательно дефосфорилируется до аденозинди- и аденозинмонофосфата (АМФ). АМФ деградирует до инозинмонофосфата, который, в свою очередь, дефосфорилируется до инозина. Продуктом метаболизма инозина является гипоксанитин. Ксантиноксидаза, фермент, превращающий гипоксантин в ксантин, а затем в мочевую кислоту, при восстановлении доставки кислорода становится мощным продуцентом активных кислородных радикалов [272, 342]. Происходящие изменения схематично изображены на рисунке 1.2.1.
В период ишемии в эндотелиоцитах и перицитах снижается концентрация фосфокреатина и глутатиона, нарастает внутриклеточный ацидоз. Эти изменения сопровождаются падением выработки таких регуляторных молекул как оксид азота (NO) и простациклин, и, напротив, происходит выброс эндотелина и тромбоксана А2 [147, 429]. Рисунок 1.2.1 Деградация макроэргов и ксантиноксидазный путь выработки активных кислородных радикалов. (Цит. по [162] c изменениями).
Многие из этих изменений усугубляютcя в период реоксигенации. Более того, при реперфузии острая эндотелиальная дисфункция может наступить внезапно, в отсутствие видимых предшествующих изменений [287]. Эндотелиоциты набухают, в них исчезают везикулы пиноцитоза, происходит подъем клеток над базальной мембраной и фиксация активированных лейкоцитов (преимущественно нейтрофилов) к поверхности эндотелия [417]. Падение выработки NO в эндотелии артериол и прекапилляров ведет к вазоконстрикции и снижению дилатирующего эффекта всех рецептор-опосредованных вазодилататоров, например, ацетилхолина. При этом эндотелий-независимые вазодилататоры (донаторы NO, в первую очередь, нитропруссид натрия) сохраняют свою эффективность [221]. Ишемическое/реперфузионное повреждение стенки капилляров ведет к увеличению ее проницаемости и ускорению фильтрации жидкости в интерстиций. Одной из возможных причин является изменение формы эндотелиоцитов и утрата клеточного компонента капиллярно-тканевого барьера [220]. Другим важным патофизиологическим феноменом, развивающимся в просвете капилляров, является фиксация активированных нейтрофилов к внутренней поверхности эндотелия. Взаимодействие нейтрофилов с эндотелием происходит в несколько этапов. В ответ на ишемическое/реперфузионное повреждение весьма быстро, в течение 30 минут [177], происходит увеличение выработки Р-селектина эндотелием. Нейтрофилы «мягко» взаимодействуют с Р-селектином с помощью рецепторов и как бы катятся по поверхности эндотелия. Достаточно скоро, в пределах 4-6 часов [247], взаимодействие через рецептор к Р-селектину сменяется формированием прочных связей между молекулами адгезии ICAM-1 (intercellular adhesion molecule 1) на поверхности эндотелия и белками-интегринами CD11/CD18 нейтрофилов. Формируется прочный конгломерат нейтрофилов. Возникает механическое препятствие току жидкости в капилляре, растет гидростатическое давление в артериолярном сегменте, что вкупе с повышенной проницаемостью мембраны дополнительно усиливает экстравазацию жидкости. На третьем этапе, активированные нейтрофилы, взаимодействуя с молекулами РЕСАМ-1 (platelet–endothelial cell adhesion molecule 1) в межклеточных контактах эндотелиоцитов, выходят из просвета капилляра в интерстициальное пространство. Выделяемые ими токсические активные формы кислорода, протеазы и эластазы еще больше увеличивают проницаемость капилляров и отек, и ведут к гибели клеток паренхимы [374, 129, 177, 247, 398]. Схематично процесс адгезии и диапедеза нейтрофилов представлен на рисунке 1.2.2.
Мониторинг жизненно важных функций
Долгое время легкие рассматривались, как орган относительно устойчивый к ишемии, вследствие двойного кровоснабжения (через систему легочной артерии и через бронхиальные артерии) а также благодаря возможности экстрагировать кислород из альвеолярного газа. Подразумевалось, что прекращение только вентиляции, либо только перфузии не должно повлечь за собой повреждение ткани легких. Однако экспериментально было показано, что легкие подвержены ишемическому/реперфузионному повреждению, как при прекращении перфузии, так и при прекращении вентиляции [358, 360].
Различия в патогенезе развивающегося ИРП состоят в том, что при прекращении легочного кровотока в условиях сохраненной вентиляции (т.н. вентилируемая ишемия) в клетках не происходит падения уровня АТФ, однако образуются активные кислородные радикалы, которые разрушают клеточные структуры. Реперфузионная фаза повреждения как бы накладывается на ишемическую, и на первый план выходит разрушительное воздействие АФК.
В ишемическую фазу повреждения в легочной ткани (как в альвеолярном эпителии, так и в эндотелии капилляров) происходит активация множества ферментных систем: NO-синтетазы, НАДФ-фосфатаз, провоспалительных цитокиновых каскадов и т.п. При восстановлении доставки кислорода (а в случае вентилируемой ишемии - немедленно) это приводит к выработке огромного количества АФК внутри клеток, активации молекул адгезии на поверхности эндотелиоцитов и падению продукции сурфактанта в альвеолоцитах [156, 261].
Молекулярные механизмы развивающегося ишемического/ реперфузионного повреждения легких аналогичны описанным в предыдущем разделе. При отсутствии и вентиляции, и перфузии в ткани легкого быстро падает концентрация АТФ, которая дефосфорилируется и деградирует до образования гипоксантина. Однако вклад ксантиноксидазы в образование АФК - не самый значимый в патогенезе реперфузионного повреждения легких (напомним, что в условиях т.н. вентилируемой ишемии падения концентрации АТФ не происходит). Огромное количество АФК вырабатывается митохондриями эндотелиоцитов, альвеолярными макрофагами, а затем и активированными полиморфонуклеарами, в первую очередь, нейтрофилами. Количество активированных нейтрофилов при развитии ИРП в легких настолько велико, что достаточно часто развивается удаленное органное повреждение, в первую очередь, печени и миокарда вследствие вовлечения микроциркуляции этих органов в генерализованную воспалительную реакцию [182].
Нарушается продукция N0 в легочных прекапиллярах, что приводит к их спазму. Эндотелиоциты, набухая вследствие нарушения работы ионных транспортных каналов, суживают просвет капилляров. На их поверхности происходит фиксация нейтрофилов, макрофагов, Т-лимфоцитов [284]. Образующиеся конгломераты лейкоцитов дополнительно суживают просвет капилляров. В микроциркуляции легких в буквальном смысле застревает, секвестрируется огромное количество эритроцитов [477]. Резко возрастает проницаемость капилляров. Клинически это проявляется ростом ОЛСС, интерстициальным отеком, нарушением вентиляционно-перфузионных отношений, увеличением мертвого пространства и резким снижением газообмена в легких [358]. ОЛСС может повышаться в три и более раза [312]. В тяжелых случаях изменения микроциркуляции прогрессируют плоть до развития no-reflow феномена [111].
В случаях, когда ишемия переносится одним легким (унилатеральная ишемия), после восстановления в нем перфузии, контрлатеральное легкое также немедленно вовлекается в описываемые физиологические изменения [373, 111].
Проницаемость легочных капилляров при ИРП возрастает десятикратно. Ее изменение носит двухфазный характер. Первый пик наблюдается через 30 минут после реперфузии, второй - примерно через 4 часа [179]. Предполагается, что первый пик увеличения проницаемости связан с выбросом активированными легочными макрофагами провоспалительных медиаторов ИЛ-8, ИЛ-12, ИЛ-18, TNF и др., а отсроченное увеличение проницаемости легочных капилляров продуктами активированных нейтрофилов, в первую очередь АФК, ИЛ-8, TNF [358, 156, 178]. Важную роль в увеличении проницаемости капилляров играют выделяемые полиморфонуклеарными клетками протеолитические ферменты, эластаза, матриксные металлопротеиназы [359]. Накопление жидкости в легочном интерстиции ведет также к изменению механических свойств легких, к снижению комплаенса легочной ткани. Происходящие изменения схематично изображены на рисунке 1.3.4. (Цит. по [162]).
Дизайн и результаты исследования
С учетом того, что количество ежегодно выполняемых в мире хирургических вмешательств на сердце приближается к двум миллионам, кардиохирургия превратилась во вторую по эпидемиологической значимости после сепсиса причину острого повреждения почек [323, 453]. В англоязычной литературе даже принят термин Cardiac surgery-associated acute kidney injury (CSA-AKI). Разброс частоты ОПП обусловлен, с одной стороны, характером выполняемых операций - минимальный процент CSA-AKI наблюдается после АКШ, макcимальный - после сочетанных операций на клапанном аппарате сердца и АКШ. С другой стороны, такому разночтению способствует отсутствие единой системы критериев постановки диагноза острого повреждения почек. Согласно определению, CSA-AKI характеризуется резким снижением скорости клубочковой фильтрации и ухудшением функции почек в течение 48 часов после кардиохирургического вмешательства [453]. Сам термин Acute Kidney Injury (AKI) был предложен в 2004 году.
В 2002 г. группой экспертов Acute Dialysis Quality Initiative (ADQI) были приняты диагностические критерии RIFLE (risk, injury, failure, loss of kidney function, and end-stage renal failure). В силу нерешенности множества задач, эксперты ADQI сочли необходимым ориентироваться на простые и клинически доступные показатели. Критерии AKI-RIFLE были в 2007 г. модифицированы Acute Kidney Injury Network (AKIN). Обе системы, основываясь на современных представлениях о патофизиологии ОПП, опираются на критерии, соответствующие возможностям реальной клинической практики: концентрацию креатинина в плазме, клиренс креатинина и темп диуреза. Обе системы неплохо зарекомендовали себя на практике для прогнозирования развития ОПП и его исходов [60].
При сопоставлении этих двух диагностических шкал на примере 4836 прооперированных в условиях ИК пациентов, в Mayo Сlinic [175] пришли к выводу, что по критериям AKIN ОПП диагностируется значительно чаще -26,3% против 18,9% по шкале RIFLE. И в том и в другом случае диагностированное ОПП ассоциируется с большей летальностью. Однако, на основании специфики клинического течения пациентов после операций с ИК, авторы отдают предпочтение системе RIFLE. По результатам другого исследования, включавшем 25086 пациентов, прооперированных на сердце с ИК, авторы делают вывод об идентичности обеих панелей критериев для рутинной клинической практики [403]. В отечественной литературе есть предложения о модификации международных систем RIFLE и AKIN под задачи, связанные с конкретными медицинскими специальностями, в частности с нефрологией [60].
Для клинической практики важно, что даже умеренное повышение уровня креатинина после кардиохирургических операций имеет существенное влияние на смертность [279, 296], которая помимо уровня креатинина связана с продолжительностью клиники ОПП. Быстрое восстановление функции почек улучшает прогноз [123]. Тем не менее, смертность при развитии ОПП возрастает почти в четыре раза - до 5,5% против 1,5% в общей группе пациентов [167]. Если же ОПП сопровождается необходимостью заместительной почечной терапии, госпитальная летальность возрастает до 30-50%, причем эта угрожающая цифра неизменна в течение десятилетий [175, 482].
Так или иначе, масса вопросов, связанных с диагностикой, а особенно с ранней диагностикой, и определением прогноза при развитии ОПП остается открытой. Повышение креатинина плазмы может быть замаскировано в первые 48 часов после операции гемодилюцией, обусловленной ИК. Уровень креатинина плазмы зависит также от множества факторов, не связанных со скоростью клубочковой фильтрации: возраста, пола, расовой принадлежности, массы тела, диеты, принимаемых медикаментов и др. [355]. В конце концов, креатинин плазмы повышается спустя какое-то время, необходимое для его продукции в организме. Это время и обуславливает задержку с диагностикой ОПП, которое может достигать 48-72 часов при использовании традиционных критериев [213].
Предложены несколько клинических шкал оценки и прогноза риска развития ОПП у пациентов, подвергающихся операциям на сердце[135, 445, 228, 128]. Наиболее известна шкала Cleveland Clinic Score [445]. Однако многочисленные критики указывают на сильную зависимость предсказательной точности этой и других подобных шкал от контингента пациентов клиники, диагностических протоколов, типа выполняемых операций, применяемых методик ИК и т.д., что обуславливает невозможность простого переноса подобных шкал в практику других клиник [228, 474, 128, 176].
В последние годы обсуждается возможность использования с этой целью нескольких молекул, экспрессирующихся в канальцевом аппарате почек, и в условиях ОПП в повышенном количестве выделяющихся в мочу, либо всасывающихся в кровь. Наибольшей специфичностью и чувствительностью для постановки диагноза и определения прогноза CSA-AKI из открытых маркеров ОПП обладают NGAL (липокалин ассоциированный с желатиназой нейтрофилов) и ИЛ-18 [377, 281, 214]. Рост концентрации NGAL опережает повышение уровня креатинина в плазме на 24 - 72 часа. Потенциальным маркером состояния клубочковой фильтрации является цистатин-С [281]. Вообще же таких молекул - маркеров открыто довольно много, но для понимания их диагностической и прогностической ценности нужны обширные исследования. В настоящее время ведутся разработки специфичного набора биомаркеров, который позволил бы осуществлять раннюю диагностику и определять прогноз ОПП [376, 213].
Микроциркуляция при критических состояниях
Ишемическое повреждение миокарда во время аноксии лежит в основе снижения насосной функции сердца после восстановления кровотока. Работающий миокард желудочков потребляет около 8 мл кислорода в минуту на 100 г собственной массы [69]. Прекращение доставки ведет к немедленному падению напряжения кислорода в кардиомиоците. Это делает невозможным выработку АТФ в митохондриях в цикле Кребса и оставляет работающими только бескислородные пути выработки энергии, основной из которых для кардиомиоцитов – это анаэробный этап метаболизма глюкозы, проходящий в цитозоле [32]. Эффективность выработки АТФ падает с 36 до 2 молекул на одну метаболизированную молекулу глюкозы. Даже при остановленном сердце, когда потребление кислорода миокардом снижается в 8 раз, этот механизм обеспечивает не более трети потребности в макроэргах. Время работы этого механизма также ограничено – при падении концентрации АТФ менее 1% от исходного уровня анаэробный гликолиз останавливается. Это происходит через 30 – 40 минут при температуре 37С [254].
Дефицит макроэргов приводит к нарушению транспортных белковых каналов, теряется барьерная функция мембран, ионы калия и водорода выходят из цитозоля в интерстиций, ионы кальция, напротив, проникают в клетку и в митохондрии. Накопление в клетках продуктов анаэробного метаболизма ведет к росту осмотического давления и отеку клеток и митохондрий. Недоокисленные продукты жирового обмена обладают мембранотоксическим воздействием [447].
Не менее значимые события развиваются при реперфузии миокарда. Показано, что необратимые структурные изменения в митохондриях происходят именно после восстановления доставки кислорода [238]. Ишемизированные кардиомиоциты, которые перед началом реперфузии выглядят вполне жизнеспособными, внезапно подвергаются летальным "взрывным" повреждениям, возникающим вследствие восстановления доставки кислорода кровью. Скорее всего, эти изменения являются отсроченными морфологическими проявлениями глубоких биохимических сдвигов, произошедших в период ишемии.
Сама по себе реперфузия не означает окончания патологических процессов, восстановление доставки кислорода знаменует лишь начало следующего разрушительного этапа повреждения митохондрий и клеток. Более того, даже в случае благоприятного течения реперфузионного периода, функциональная способность поврежденных клеток восстанавливается далеко не сразу. Еще в 1975 году было продемонстрировано, что после 180 минут ишемии миокарда дыхательная функция митохондрий снижалась примерно на 1/3, а после 120 минут реперфузии она оказалась снижена еще на 1/3 [262]. Несмотря на возобновление доставки кислорода, в период реперфузии продолжается усугубление дефицита макроэргов, восстановление предишемического уровня которых может занимать длительное время.
Ишемическим и реперфузионным повреждениям в миокарде подвергаются не только кардиомиоциты, но и клетки капиллярной стенки, в первую очередь эндотелий. Увеличивающиеся в объеме, вследствие проникновения ионов натрия и воды, эндотелиоциты суживают просвет капилляров, вплоть до развития феномена “no-reflow”, особенно после длительной ишемии. Возрастает проницаемость мембран капилляров [257].
Нужно заметить, что резкие сдвиги гемодинамики, связанные с анестезией или действиями хирурга, спазм коронарных артерий, газовая или материальная эмболия, травма или неполная васкуляризация миокарда могут создавать дополнительные эпизоды весьма серьезной ишемии миокарда вне этапа кардиоплегии.
Кроме всего, необходимо помнить о прямой хирургической травме миокарда при выполнении операции и о возможном повреждении вследствие защитных мероприятий (холодовая травма, разрыв капилляров при нагнетании кардиоплегического раствора, повреждение эндотелия) [69].
Конечно же, с момента появления кардиохирургии появились и совершенствуются методы интраоперационной защиты миокарда. Более того, развитие скорее всего, было бы невозможным без прогресса в области кардиопротекции. Тем не менее, обсуждение вопросов защиты миокарда во время операции выходит за рамки данного исследования.
Изменение уровня кардиоспецифических ферментов в сыворотке крови является традиционным диагностическим маркером повреждения миокарда. Но большинство этих ферментов (КФК, МВ-КФК, АсАТ, ЛДГ) имеют недостатки, снижающие их диагностическую ценность: короткое диагностическое окно, низкую специфичность, т. к. эти же ферменты вырабатываются и в скелетной мускулатуре. Кардиальные тропонины более ценны в диагностике повреждений миокарда в силу наличия у них достаточно продолжительного диагностического окна, уникальной последовательности аминокислот, а также высокой концентрации этих молекул внутри кардиомиоцита [55].
Тропонины – это белковый комплекс, сформированный из трех компонентов (тропонины C, T и I), который находится в клетках поперечнополосатой мускулатуры и фиксируется на актиновых филаментах. Функция комплекса тропонинов заключается в осуществлении сокращения и расслабления мышечных волокон. Кроме молекул, входящих в состав контрактильного аппарата клетки, существует цитозольный пул тропонинов, составляющий около 8%.
На рисунке 4.2.1 схематично представлено взаимное расположение молекул в актин-миозин-тропониновом комплексе. Тропонины Т и I представлены тремя изоформами, две из которых отвечают за сокращение скелетной мускулатуры, а третья является кардиоспецифической. Поэтому их уникальная структура имеет очень хорошую диагностическую ценность при повреждении миокарда [55].